Vidéosurveillance intelligente pour la détection de chutes chez les personnes âgées

Les pays industrialisés comme le Canada doivent faire face au vieillissement de leur population. En particulier, la majorité des personnes âgées, vivant à domicile et souvent seules, font face à des situations à risques telles que des chutes. Dans ce contexte, la vidéosurveillance est une solution innovante qui peut leur permettre de vivre normalement dans un environnement sécurisé. L’idée serait de placer un réseau de caméras dans l’appartement de la personne pour détecter automatiquement une chute. En cas de problème, un message pourrait être envoyé suivant l’urgence aux secours ou à la famille via une connexion internet sécurisée. Pour un système bas coût, nous avons limité le nombre de caméras à une seule par pièce ce qui nous a poussé à explorer les méthodes monoculaires de détection de chutes. Nous avons d’abord exploré le problème d’un point de vue 2D (image) en nous intéressant aux changements importants de la silhouette de la personne lors d’une chute. Les données d’activités normales d’une personne âgée ont été modélisées par un mélange de gaussiennes nous permettant de détecter tout événement anormal. Notre méthode a été validée à l’aide d’une vidéothèque de chutes simulées et d’activités normales réalistes. Cependant, une information 3D telle que la localisation de la personne par rapport à son environnement peut être très intéressante pour un système d’analyse de comportement. Bien qu’il soit préférable d’utiliser un système multi-caméras pour obtenir une information 3D, nous avons prouvé qu’avec une seule caméra calibrée, il était possible de localiser une personne dans son environnement grâce à sa tête. Concrêtement, la tête de la personne, modélisée par une ellipsoide, est suivie dans la séquence d’images à l’aide d’un filtre à particules. La précision de la localisation 3D de la tête a été évaluée avec une bibliothèque de séquence vidéos contenant les vraies localisations 3D obtenues par un système de capture de mouvement (Motion Capture). Un exemple d’application utilisant la trajectoire 3D de la tête est proposée dans le cadre de la détection de chutes. En conclusion, un système de vidéosurveillance pour la détection de chutes avec une seule caméra par pièce est parfaitement envisageable. Pour réduire au maximum les risques de fausses alarmes, une méthode hybride combinant des informations 2D et 3D pourrait être envisagée.

Étude du comportement des piles de pont confinées de PRFC par écoute acoustique

Une structure en béton armé est sujette à différents types de sollicitations. Les tremblements de terre font partie des événements exceptionnels qui induisent des sollicitations extrêmes aux ouvrages. Pour faire face à cette problématique, les codes de calcul des ponts routiers font appel à une approche basée sur des niveaux de performance qui sont rattachés à des états limites. Actuellement, les états limites d'une pile de ponts en béton armé (BA) confinée à l'aide de polymères renforcés de fibres de carbone (PRFC) proposés dans la littérature ne prennent pas en compte le confinement lié au chemisage de PRFC en combinaison avec celui des spirales d'acier. Ce projet de recherche était la suite du volet de contrôle non destructif d'une étude réalisée en 2012 qui comprenait un volet expérimental [Carvalho, 2012] et un volet numérique [Jean, 2012]. L'objectif principal était de compléter l'étude du comportement des poteaux en BA renforcés de PRFC soumis à un chargement cyclique avec les données acoustiques recueillies par St-Martin [2014]. Plus précisément, les objectifs spécifiques étaient de déterminer les états limites reliés aux niveaux de performance et de caractériser la signature acoustique de chaque état limite (p. ex. fissuration du béton, plastification de l'acier et rupture du PRFC). Une méthodologie d'analyse acoustique basée sur l'état de l'art de Behnia et al. [2014] a été utilisée pour quantifier la gravité, localiser et caractériser le type de dommages. Dans un premier temps, les données acoustiques provenant de poutres de 550 mm x 150 mm x 150 mm ont permis de caractériser la signature acoustique des états limites. Puis, des cinq spécimens d'essai construits en 2012, les données acoustiques de trois spécimens, soient des poteaux circulaires d'un diamètre de 305 mm et d'une hauteur de 2000 mm ont été utilisée pour déterminer les états limites. Lors de ces essais, les données acoustiques ont été recueillies avec 14 capteurs de résonances qui étaient reliés à un système multicanal et au logiciel AEwin SAMOS 5.23 de Physical Acoustics Corporation (PAC) [PAC, 2005] par St-Martin [2014]. Une analyse de la distribution des paramètres acoustiques (nbr. de comptes et énergie absolue) combiné à la localisation des événements et le regroupement statistique, communément appelé clustering, ont permis de déterminer les états limites et même, des signes précurseurs à l'atteinte de ces états limites (p. ex. l'initiation et la propagation des fissures, l'éclatement de l'enrobage, la fissuration parallèle aux fibres et l'éclatement du PRFC) qui sont rattachés aux niveaux de performances des poteaux conventionnels et confinés de PRFC. Cette étude a permis de caractériser la séquence d'endommagement d'un poteau en BA renforcé de PRFC tout en démontrant l'utilité de l'écoute acoustique pour évaluer l'endommagement interne des poteaux en temps réel. Ainsi, une meilleure connaissance des états limites est primordiale pour intégrer les PRFC dans la conception et la réhabilitation des ouvrages.

Simulation des caractéristiques ECG du syndrome de Brugada à l'aide d'un programme de modélisation 3D

Introduction : Le syndrome de Brugada, décrit en 1992 par Pedro et Josep Brugada, est un syndrome cardiaque caractérisé par un sus-décalage particulier du segment ST associé à un bloc de branche droit atypique au niveau des dérivations ECG V1 à V3. Les altérations ECG du syndrome de Brugada sont classifiées en 3 types dont seul le type 1 est diagnostique. Les mécanismes physiopathologiques exacts de ce syndrome sont pour le moment encore controversés. Plusieurs hypothèses sont proposées dans la littérature dont deux principales retiennent l'attention : 1) le modèle du trouble de repolarisation stipule des potentiels d'action réduits en durée et en amplitude liés à un changement de répartition de canaux potassiques 2) le modèle du trouble de dépolarisation spécifie un retard de conduction se traduisant par une dépolarisation retardée. Dans le STEMI, un sus-décalage ST ressemblant à celui du syndrome de Brugada est expliqué par deux théories : 1) le courant de lésion diastolique suggère une élévation du potentiel diastolique transformé artificiellement en sus-décalage ST par les filtres utilisés dans tous les appareils ECG.¦Objectif : Recréer les manifestations ECG du syndrome de Brugada en appliquant les modifications du potentiel d'action des cardiomyocytes rapportées dans la littérature.¦Méthode : Pour ce travail, nous avons utilisé "ECGsim", un simulateur informatique réaliste d'ECG disponible gratuitement sur www.ecgsim.org. Ce programme est basé sur une reconstruction de l'ECG de surface à l'aide de 1500 noeuds représentant chacun les potentiels d'action des ventricules droit et gauche, épicardiques et endocardiques. L'ECG simulé peut être donc vu comme l'intégration de l'ensemble de ces potentiels d'action en tenant compte des propriétés de conductivité des tissus s'interposant entre les électrodes de surface et le coeur. Dans ce programme, nous avons définit trois zones, de taille différente, comprenant la chambre de chasse du ventricule droit. Pour chaque zone, nous avons reproduit les modifications des potentiels d'action citées dans les modèles du trouble de repolarisation et de dépolarisation et des théories de courant de lésion systolique et diastolique. Nous avons utilisé, en plus des douze dérivations habituelles, une électrode positionnée en V2IC3 (i.e. 3ème espace intercostal) sur le thorax virtuel du programme ECGsim.¦Résultats : Pour des raisons techniques, le modèle du trouble de repolarisation n'a pas pu être entièrement réalisée dans ce travail. Le modèle du trouble de dépolarisation ne reproduit pas d'altération de type Brugada mais un bloc de branche droit plus ou moins complet. Le courant de lésion diastolique permet d'obtenir un sus-décalage ST en augmentant le potentiel diastolique épicardique des cardiomyocytes de la chambre de chasse du ventricule droit. Une inversion de l'onde T apparaît lorsque la durée du potentiel d'action est prolongée. L'amplitude du sus-décalage ST dépend de la valeur du potentiel diastolique, de la taille de la lésion et de sa localisation épicardique ou transmurale. Le courant de lésion systolique n'entraîne pas de sus-décalage ST mais accentue l'amplitude de l'onde T.¦Discussion et conclusion : Dans ce travail, l'élévation du potentiel diastolique avec un prolongement de la durée du potentiel d'action est la combinaison qui reproduit le mieux les altérations ECG du Brugada. Une persistance de cellules de type nodal au niveau de la chambre de chasse du ventricule droit pourrait être une explication à ces modifications particulières du potentiel d'action. Le risque d'arythmie dans la Brugada pourrait également être expliqué par une automaticité anormale des cellules de type nodal. Ainsi, des altérations des mécanismes cellulaires impliqués dans le maintien du potentiel diastolique pourraient être présentes dans le syndrome de Brugada, ce qui, à notre connaissance, n'a jamais été rapporté dans la littérature.

Optimization and validation of a new 3D-US imaging robot to detect, localize and quantify lower limb arterial stenoses

L’athérosclérose est une maladie qui cause, par l’accumulation de plaques lipidiques, le durcissement de la paroi des artères et le rétrécissement de la lumière. Ces lésions sont généralement localisées sur les segments artériels coronariens, carotidiens, aortiques, rénaux, digestifs et périphériques. En ce qui concerne l’atteinte périphérique, celle des membres inférieurs est particulièrement fréquente. En effet, la sévérité de ces lésions artérielles est souvent évaluée par le degré d’une sténose (réduction >50 % du diamètre de la lumière) en angiographie, imagerie par résonnance magnétique (IRM), tomodensitométrie ou échographie. Cependant, pour planifier une intervention chirurgicale, une représentation géométrique artérielle 3D est notamment préférable. Les méthodes d’imagerie par coupe (IRM et tomodensitométrie) sont très performantes pour générer une imagerie tridimensionnelle de bonne qualité mais leurs utilisations sont dispendieuses et invasives pour les patients. L’échographie 3D peut constituer une avenue très prometteuse en imagerie pour la localisation et la quantification des sténoses. Cette modalité d’imagerie offre des avantages distincts tels la commodité, des coûts peu élevés pour un diagnostic non invasif (sans irradiation ni agent de contraste néphrotoxique) et aussi l’option d’analyse en Doppler pour quantifier le flux sanguin. Étant donné que les robots médicaux ont déjà été utilisés avec succès en chirurgie et en orthopédie, notre équipe a conçu un nouveau système robotique d’échographie 3D pour détecter et quantifier les sténoses des membres inférieurs. Avec cette nouvelle technologie, un radiologue fait l’apprentissage manuel au robot d’un balayage échographique du vaisseau concerné. Par la suite, le robot répète à très haute précision la trajectoire apprise, contrôle simultanément le processus d’acquisition d’images échographiques à un pas d’échantillonnage constant et conserve de façon sécuritaire la force appliquée par la sonde sur la peau du patient. Par conséquent, la reconstruction d’une géométrie artérielle 3D des membres inférieurs à partir de ce système pourrait permettre une localisation et une quantification des sténoses à très grande fiabilité. L’objectif de ce projet de recherche consistait donc à valider et optimiser ce système robotisé d’imagerie échographique 3D. La fiabilité d’une géométrie reconstruite en 3D à partir d’un système référentiel robotique dépend beaucoup de la précision du positionnement et de la procédure de calibration. De ce fait, la précision pour le positionnement du bras robotique fut évaluée à travers son espace de travail avec un fantôme spécialement conçu pour simuler la configuration des artères des membres inférieurs (article 1 - chapitre 3). De plus, un fantôme de fils croisés en forme de Z a été conçu pour assurer une calibration précise du système robotique (article 2 - chapitre 4). Ces méthodes optimales ont été utilisées pour valider le système pour l’application clinique et trouver la transformation qui convertit les coordonnées de l’image échographique 2D dans le référentiel cartésien du bras robotisé. À partir de ces résultats, tout objet balayé par le système robotique peut être caractérisé pour une reconstruction 3D adéquate. Des fantômes vasculaires compatibles avec plusieurs modalités d’imagerie ont été utilisés pour simuler différentes représentations artérielles des membres inférieurs (article 2 - chapitre 4, article 3 - chapitre 5). La validation des géométries reconstruites a été effectuée à l`aide d`analyses comparatives. La précision pour localiser et quantifier les sténoses avec ce système robotisé d’imagerie échographique 3D a aussi été déterminée. Ces évaluations ont été réalisées in vivo pour percevoir le potentiel de l’utilisation d’un tel système en clinique (article 3- chapitre 5).

The role of 3D fusion imaging in sentinel lymphadenectomy for vulvar cancer

OBJECTIVES: To evaluate the feasibility of fusion imaging compound tomography (FICT) of CT/MRI and single photon emission tomography (SPECT) versus planar scintigraphy only (plSc) in pre-surgical staging for vulvar cancer. MATERIALS AND METHODS: Analysis of consecutive patients with vulvar cancer who preoperatively underwent sentinel scintigraphy (planar and 3D-SPECT imaging) and CT or MRI. Body markers were used for exact anatomical co-registration and fusion datasets were reconstructed using SPECT and CT/MRI. The number and localisation of all intraoperatively identified and resected sentinel lymph nodes (SLN) were compared between planar and 3D fusion imaging. RESULTS: Twenty six SLN were localized on planar scintigraphy. Twelve additional SLN were identified after SPECT and CT/MRI reconstruction, all of them were confirmed intraoperatively. In seven cases where single foci were identified at plSc, fusion imaging revealed grouped individual nodes and five additional localisations were discovered at fusion imaging. In seven patients both methods identified SLN contra lateral to the primary tumor site, but only fusion imaging allowed to localise iliac SLN in four patients. All SLN predicted on fusion imaging could be localised and resected during surgery. CONCLUSIONS: Fusion imaging using SPECT and CT/MRI can detect SLN in vulvar cancer more precisely than planar imaging regarding number and anatomical localisation. FICT revealed additional information in seven out of ten cases (70%).

Évaluation in vitro de resténoses intra-stent par échographie 3D mode main-libre

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Évaluation in vitro de resténoses intra-stent par échographie 3D mode main-libre

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Structural and chemical basis for anticancer activity of a series of 'beta'-tubulin ligands: molecular modeling and 3D QSAR studies

An important approach to cancer therapy is the design of small molecule modulators that interfere with microtubule dynamics through their specific binding to the ²-subunit of tubulin. In the present work, comparative molecular field analysis (CoMFA) studies were conducted on a series of discodermolide analogs with antimitotic properties. Significant correlation coefficients were obtained (CoMFA(i), q² =0.68, r²=0.94; CoMFA(ii), q² = 0.63, r²= 0.91), indicating the good internal and external consistency of the models generated using two independent structural alignment strategies. The models were externally validated employing a test set, and the predicted values were in good agreement with the experimental results. The final QSAR models and the 3D contour maps provided important insights into the chemical and structural basis involved in the molecular recognition process of this family of discodermolide analogs, and should be useful for the design of new specific ²-tubulin modulators with potent anticancer activity.

Stress distribution in the cervical region of an upper central incisor in a 3D finite element model

The aim of this study was to evaluate the stress distribution in the cervical region of a sound upper central incisor in two clinical situations, standard and maximum masticatory forces, by means of a 3D model with the highest possible level of fidelity to the anatomic dimensions. Two models with 331,887 linear tetrahedral elements that represent a sound upper central incisor with periodontal ligament, cortical and trabecular bones were loaded at 45º in relation to the tooth's long axis. All structures were considered to be homogeneous and isotropic, with the exception of the enamel (anisotropic). A standard masticatory force (100 N) was simulated on one of the models, while on the other one a maximum masticatory force was simulated (235.9 N). The software used were: PATRAN for pre- and post-processing and Nastran for processing. In the cementoenamel junction area, tensile forces reached 14.7 MPa in the 100 N model, and 40.2 MPa in the 235.9 N model, exceeding the enamel's tensile strength (16.7 MPa). The fact that the stress concentration in the amelodentinal junction exceeded the enamel's tensile strength under simulated conditions of maximum masticatory force suggests the possibility of the occurrence of non-carious cervical lesions such as abfractions.

Dynamical Lorentz symmetry breaking in 3D and charge fractionalization

We analyze the breaking of Lorentz invariance in a 3D model of fermion fields self-coupled through four-fermion interactions. The low-energy limit of the theory contains various submodels which are similar to those used in the study of graphene or in the description of irrational charge fractionalization.

Density functional theory investigation of 3d, 4d, and 5d 13-atom metal clusters

The knowledge of the atomic structure of clusters composed by few atoms is a basic prerequisite to obtain insights into the mechanisms that determine their chemical and physical properties as a function of diameter, shape, surface termination, as well as to understand the mechanism of bulk formation. Due to the wide use of metal systems in our modern life, the accurate determination of the properties of 3d, 4d, and 5d metal clusters poses a huge problem for nanoscience. In this work, we report a density functional theory study of the atomic structure, binding energies, effective coordination numbers, average bond lengths, and magnetic properties of the 3d, 4d, and 5d metal (30 elements) clusters containing 13 atoms, M(13). First, a set of lowest-energy local minimum structures (as supported by vibrational analysis) were obtained by combining high-temperature first- principles molecular-dynamics simulation, structure crossover, and the selection of five well-known M(13) structures. Several new lower energy configurations were identified, e. g., Pd(13), W(13), Pt(13), etc., and previous known structures were confirmed by our calculations. Furthermore, the following trends were identified: (i) compact icosahedral-like forms at the beginning of each metal series, more opened structures such as hexagonal bilayerlike and double simple-cubic layers at the middle of each metal series, and structures with an increasing effective coordination number occur for large d states occupation. (ii) For Au(13), we found that spin-orbit coupling favors the three-dimensional (3D) structures, i.e., a 3D structure is about 0.10 eV lower in energy than the lowest energy known two-dimensional configuration. (iii) The magnetic exchange interactions play an important role for particular systems such as Fe, Cr, and Mn. (iv) The analysis of the binding energy and average bond lengths show a paraboliclike shape as a function of the occupation of the d states and hence, most of the properties can be explained by the chemistry picture of occupation of the bonding and antibonding states.

Improved finite element for 3D laminate frame analysis including warping for any cross-section

The most ordinary finite element formulations for 3D frame analysis do not consider the warping of cross-sections as part of their kinematics. So the stiffness, regarding torsion, should be directly introduced by the user into the computational software and the bar is treated as it is working under no warping hypothesis. This approach does not give good results for general structural elements applied in engineering. Both displacement and stress calculation reveal sensible deficiencies for both linear and non-linear applications. For linear analysis, displacements can be corrected by assuming a stiffness that results in acceptable global displacements of the analyzed structure. However, the stress calculation will be far from reality. For nonlinear analysis the deficiencies are even worse. In the past forty years, some special structural matrix analysis and finite element formulations have been proposed in literature to include warping and the bending-torsion effects for 3D general frame analysis considering both linear and non-linear situations. In this work, using a kinematics improvement technique, the degree of freedom ""warping intensity"" is introduced following a new approach for 3D frame elements. This degree of freedom is associated with the warping basic mode, a geometric characteristic of the cross-section, It does not have a direct relation with the rate of twist rotation along the longitudinal axis, as in existent formulations. Moreover, a linear strain variation mode is provided for the geometric non-linear approach, for which complete 3D constitutive relation (Saint-Venant Kirchhoff) is adopted. The proposed technique allows the consideration of inhomogeneous cross-sections with any geometry. Various examples are shown to demonstrate the accuracy and applicability of the proposed formulation. (C) 2009 Elsevier Inc. All rights reserved.

A solid-like FEM for geometrically non-linear 3D frames

This study presents a solid-like finite element formulation to solve geometric non-linear three-dimensional inhomogeneous frames. To achieve the desired representation, unconstrained vectors are used instead of the classic rigid director triad; as a consequence, the resulting formulation does not use finite rotation schemes. High order curved elements with any cross section are developed using a full three-dimensional constitutive elastic relation. Warping and variable thickness strain modes are introduced to avoid locking. The warping mode is solved numerically in FEM pre-processing computational code, which is coupled to the main program. The extra calculations are relatively small when the number of finite elements. with the same cross section, increases. The warping mode is based on a 2D free torsion (Saint-Venant) problem that considers inhomogeneous material. A scheme that automatically generates shape functions and its derivatives allow the use of any degree of approximation for the developed frame element. General examples are solved to check the objectivity, path independence, locking free behavior, generality and accuracy of the proposed formulation. (C) 2009 Elsevier B.V. All rights reserved.

A FEM procedure based on positions and unconstrained vectors applied to non-linear dynamic of 3D frames

This study presents an alternative three-dimensional geometric non-linear frame formulation based on generalized unconstrained vector and positions to solve structures and mechanisms subjected to dynamic loading. The formulation is classified as total Lagrangian with exact kinematics description. The resulting element presents warping and non-constant transverse strain modes, which guarantees locking-free behavior for the adopted three-dimensional constitutive relation, Saint-Venant-Kirchhoff, for instance. The application of generalized vectors is an alternative to the use of finite rotations and rigid triad`s formulae. Spherical and revolute joints are considered and selected dynamic and static examples are presented to demonstrate the accuracy and generality of the proposed technique. (C) 2010 Elsevier B.V. All rights reserved.